一文帶你搞懂電容基礎(chǔ)知識(shí)

說到電子產(chǎn)品，電容算是一種常用的器件了，無論電源電路、音頻電路、射頻電路都統(tǒng)統(tǒng)離不開它，今天就來一起分享下電容的基礎(chǔ)知識(shí)。

電容的含義

電容(Capacitance)亦稱作“電容量”，是指在給定電位差下的電荷的儲(chǔ)藏量，記為C，國際單位是法拉(F)。一般來說，電荷在電場中會(huì)受力而移動(dòng)，當(dāng)導(dǎo)體之間有了介質(zhì)，則阻礙了電荷移動(dòng)而使得電荷累積在導(dǎo)體上，造成電荷的累積儲(chǔ)存，儲(chǔ)存的電荷量則稱為電容。

電容的概念其實(shí)并不復(fù)雜。它的基本思想是“儲(chǔ)存電荷的能力”。假設(shè)我們有兩個(gè)彼此絕緣的導(dǎo)體，分別帶有等量的正電荷和負(fù)電荷，這兩個(gè)導(dǎo)體之間便形成了一個(gè)電場。如果我們想讓這個(gè)系統(tǒng)儲(chǔ)存更多的電荷，那么我們需要增加外加電壓。而電容的物理量正是描述了導(dǎo)體之間能夠儲(chǔ)存多少電荷以及其與外加電壓之間的關(guān)系。在電學(xué)中，用“C”來表示電容，它的單位是法拉(F)。如果兩個(gè)導(dǎo)體在施加1伏特電壓時(shí)能儲(chǔ)存1庫侖的電荷，那么它們之間的電容就是1法拉。

電容的大小主要取決于導(dǎo)體的幾何形狀、相對(duì)位置和中間絕緣材料的性質(zhì)。換句話說，電容不僅僅與導(dǎo)體的大小和形狀有關(guān)，還與導(dǎo)體之間的距離以及夾在它們之間的絕緣材料的電介常數(shù)相關(guān)。如果距離越近、電介常數(shù)越大，那么電容也就越大。因?yàn)榫嚯x減小會(huì)增大電場強(qiáng)度，電介常數(shù)增大則能更好地儲(chǔ)存電場能量。這就是電容和電介質(zhì)之間關(guān)系的基本原理。

電容的公式為：C=εS/4πkd

其中，ε是一個(gè)常數(shù)，S為電容極板的正對(duì)面積，d為電容極板的距離，k則是靜電力常量。常見的平行板電容器，電容為C=εS/d(ε為極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，S為極板面積，d為極板間的距離)。

在電容元件兩端電壓u的參考方向給定時(shí)，若以q表示參考正電位極板上的電荷量，則電容元件的電荷量與電壓之間滿足q=Cu。電流等于單位時(shí)間內(nèi)通過某一橫截面的電荷量，所以得到I=dq/dt，因此電流與電容的關(guān)系是I=dq/dt =C(du/dt)。

該式表明，電流的大小與方向取決于電壓對(duì)時(shí)間的變化率，電壓增高時(shí)，du/dt>0，則dq/dt>0，i>0，極板上電荷增加，電容器充電;電壓降低時(shí)，du/dt《0，則dq/dt《0，i《0，極板上電荷減少，電容器反向放電。當(dāng)電壓不隨時(shí)間變化時(shí)，du/dt=0，則電流I=0，這時(shí)電容元件的電流等于零，相當(dāng)于開路。故電容元件有隔斷直流的作用。

電容的容值

電容的符號(hào)是C，在國際單位制里，電容的單位是法拉，簡稱法，符號(hào)是F，由于法拉這個(gè)單位太大，所以常用的電容單位有毫法(mF)、微法(μF)、納法(nF)和皮法(pF)等，換算關(guān)系如下：

1法拉(F)=1000毫法(mF)=1000000微法(μF);

1微法(μF)=1000納法(nF)=1000000皮法(pF)。

電容的參數(shù)

1.標(biāo)稱容值與誤差

電容量即電容加上電荷后儲(chǔ)存電荷的能力大小。電容量誤差是指其實(shí)際容量與標(biāo)稱容量間的偏差，通常有±10%、±20%，而射頻電路中PI 匹配采用的則是±0.5%、±0.75%的小誤差電容。

2.額定電壓

額定工作電壓是該電容器在電路中能夠長期可靠地工作而不被擊穿所能承受的最大直流電壓(又稱耐壓)。它與電容器的結(jié)構(gòu)、介質(zhì)材料和介質(zhì)的厚度有關(guān)，一般來說，對(duì)于結(jié)構(gòu)、介質(zhì)相同，容量相等的電容器，其耐壓值越高，體積也越大。

當(dāng)在電容器的兩極板間施加電壓之后，極板間的電解質(zhì)便處于電場中，本來是中性的電介質(zhì)，由于外電場力的作用，介質(zhì)分子內(nèi)的正負(fù)電荷將在空間位置上發(fā)生少許偏移(如負(fù)電荷逆電場方向移動(dòng))，形成所謂的電偶極子，也就是介質(zhì)內(nèi)部出現(xiàn)了電場，破壞了原來的電中性狀態(tài)。這種現(xiàn)象叫做電解質(zhì)的極化。

可見，極化狀態(tài)下的介質(zhì)是帶負(fù)電荷的，但這些電荷依然受介質(zhì)本身的束縛而不能自由移動(dòng)，介質(zhì)的絕緣性能尚未遭到破壞，只有少數(shù)電荷脫離束縛而形成很小的漏電流。

如果外加電壓不斷加強(qiáng)，最后將使極化電荷大量脫離束縛，引起漏電流大大增加，于是介質(zhì)的絕緣性能遭到破壞，使兩個(gè)極板短接，完全喪失電容的作用。這種現(xiàn)象稱為介質(zhì)擊穿。介質(zhì)擊穿之后，電容器被毀壞。因此電容器的工作電壓要有一定限制，不能隨意增加。

3.溫度系數(shù)

電容器電容量隨溫度變化的大小用溫度系數(shù)(在一定溫度范圍內(nèi)，溫度每變化1℃，電容量的相對(duì)變化值)來表示，這一點(diǎn)和電阻是一樣一樣的。

4.絕緣電阻

電容器漏電的大小用絕緣電阻來衡量。電容器漏電越小越好，也就是絕緣電阻越大越好。一般小電容器的絕緣電阻很大，可達(dá)幾百兆歐或幾千兆歐。電解電容器的絕緣電阻一般較小。

5.損耗

在電場作用下，電容器單位時(shí)間內(nèi)發(fā)熱而消耗的能量叫電容器的損耗。理想電容器在電路中不應(yīng)消耗能量，但在實(shí)際上，電容器或多或少都要消耗能量，其能量消耗主要由介質(zhì)損耗和金屬部分的損耗組成，通常用損耗角正切值來表示。

6.頻率特性

電容器的頻率特性通常是指電容器的電參數(shù)(如電容量、損耗角正切值等)隨電場頻率而變化的性質(zhì)。在高頻下工作的電容器，由于介電常數(shù)在高頻時(shí)比低頻時(shí)小，因此電容量將相應(yīng)地減小。與此同時(shí)，它的損耗將隨頻率的升高而增加。

此外在高頻工作時(shí)，電容器的分布參數(shù)，如極片電阻、引線和極片接觸電阻，極片的自身電感，引線電感等，都將影響電容器的性能，由于這些因素的影響，使得電容器的使用頻率受到限制。

7.介質(zhì)

參數(shù)描述了電容采用的電介質(zhì)材料類別，溫度特性以及誤差等參數(shù)，不同的值也對(duì)應(yīng)著一定的電容容量的范圍。比如：

X7R常用于容量為3300pF~0.33uF的電容，這類電容適用于濾波，耦合等場合，電介質(zhì)常數(shù)比較大，當(dāng)溫度從0°C變化為70°C時(shí)，電容容量的變化為±15%;

Y5P與Y5V常用于容量為150pF~2nF的電容，溫度范圍比較寬，隨著溫度變化，電容容量變化范圍為±10%或者+22%/-82%。

對(duì)于其他的編碼與溫度特性的關(guān)系，大家可以參考下面的表格。例如，X5R的意思就是該電容的正常工作溫度為-55°C~+85°C，對(duì)應(yīng)的電容容量變化為±15%

8.封裝尺寸

主要針對(duì)貼片式電容，封裝和電阻的封裝大小一樣。

電容的分類

按照不同的方式，電容的分類也有很多種，以下總結(jié)幾類常見的：

1.按材料分：有云母電容、電解電容、陶瓷電容、鉭電容等不同類型;

2.按用途分：有濾波電容、旁路電容、耦合電容、負(fù)載電容等;

3.按照極性分：有無極性電容、極性電容。